Open-loop Control System vs Closed-loop Control System

บทความนี้เสนอการเปรียบเทียบระบบควบคุมวงเปิด (Open loop control system) และระบบควบคุมวงปิด (Closed-loop control system) ว่าแตกต่างกันอย่างไร

ระบบควบคุมวงเปิด (Open-loop control system)

Open-loop control system block diagram — รูปที่ 1

จากบทความก่อนหน้านี้คือ บทความ ส่วนประกอบและตัวแปรในระบบควบคุม (Control system) รูปที่ 1 ในบทความนี้คือรูปเดียวกันกับรูปที่ 2 ในบทความส่วนประกอบและตัวแปรในระบบควบคุมจะเห็นได้ว่าบล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมจะอยู่ในลักษณะที่เป็นวงเปิด ดังนั้นจึงเรียกระบบควบคุมในลักษณะนี้ว่า “ระบบควบคุมวงเปิด”

ข้อดีและข้อเสียของระบบควบคุมวงเปิด
- ข้อดีของระบบควบคุมวงเปิด
  - ง่ายในการสร้างและใช้งานตัวควบคุม
  - หากระบบเดิมก่อนระบบควบคุมมีเสถียรภาพ ระบใหม่หลังจากควบควบคุมด้วยระบบควบคุมวงเปิดก็จะมีเสถียรภาพตามไปด้วย
- ข้อเสียของระบบควบคุมวงเปิด
  - เกิดความผิดพลาดได้เมื่อมีสิ่งรบกวนเข้ามารบกวนระบบควบคุม
  - เกิดความผิดพลาดได้เมื่อระบบควบคุมมีพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลง
  - อาจเกิดความผิดพลาดขึ้นมาได้เมื่อเปลี่ยนค่าตัวแปรอ้างอิงที่มีความต่างมากจนเกินไป

จากข้อเสียของระบบควบคุมวงเปิด จึงได้มีการปรับปรุงแก้ไขสู่ระควบคุมที่ดีกว่านั้นคือ ระบบควบคุมวงปิด

ระบบควบคุมวงปิด (Closed-loop control system)

จากรูปที่ 2 บล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมวงเปิด สามารถนำมาพัฒนาต่อให้เป็นระบบควบคุมวงปิดได้โดยการนำเอา $r(t)$ และ $o_M(t)$ มาหาค่าความผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้ดังนี้

$e(t)= r(t)-o_M(t)$

โดยที่

$e(t)$ คือ ตัวแปรความผิดพลาด (error variable) คือค่าความแตกต่างระหว่างค่าตัวแปรอ้างอิงและค่าตัวแปรเอาต์พุตที่วัดได้

ค่าความผิดพลาดที่เกิดขึ้นสามารถแก้ไขได้โดยการป้อนกลับตัวแปรเอาต์พุตที่วัดได้กลับมาเปรียบเทียบกับตัวแปรอ้างอิง ซึ่งจะได้ค่าความผิดพลาดออกมา จากนั้นนำตัวแปรความผิดพลาดนี้ป้อนเป็นอินพุตให้กับตัวควบคุม

การกระทำลักษณะดังกล่าวทำให้เกิดวงการควบคุมในลักษณะปิดขึ้นมา ดังนั้นจึงเรียกลักษณะระบบควบคุมแบบนี้ว่า “ระบบควบคุมวงปิด”

จากที่ได้กล่าวผ่านมาทั้งหมดเกี่ยวกับระบบควบคุมวงปิดสามารถนำมาเขียนเป็นบล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมวงปิดได้ดังรูปที่ 2

Closed-loop control system block diagram — รูปที่ 2

ซึ่งตัวควบคุม (Controller) ที่อยู่ในบล็อกไดอะแกรมนี้จะหมายถึงแนวคิดหรือวิธีในระบบควบคุม ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมแบบเปิดปิด (On/Off Controller) หรือตัวควบคุมแบบ PID เป็นต้น

ผลตอบสนองเมื่อมีการรบกวนระบบควบคุม

ในหัวข้อนี้จะเป็นผลเปรียบเทียบระบบควบคุมวงเปิดและระบบควบคุมวงปิด

โดยระบบควบคุมวงปิดใช้ตัวควบคุมแบบ PID

การทดสอบนี้จะเปรียบเทียบผลตอบสนองระหว่างระบบควบคุมวงเปิดและระบบควบคุมวงปิดของระบบควบคุมอุณหภูมิของเตาอบ โดยจะรบกวนระบบด้วยการเปิดฝาเตาอบค้างไว้

ผลตอบสนองของระบบควบคุมวงเปิดเป็นดังรูปที่ 3 และผลตอบสนองของระบบควบคุมวงปิดด้วยตัวควบคุม PID เป็นดังรูปที่ 4

Open-loop control system response — รูปที่ 3

Closed-loop control system response — รูปที่ 4

จากรูปที่ 3 และรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่าเมื่อเปิดฝาเตาอบ ในส่วนของระบบควบคุมวงปิดด้วยตัวควบคุม PID ตัวแปร oM จะตกลงมาชั่วครู่และหลังจากนั้นตัวควบคุม PID จะควบคุมให้ตัวแปรเอาต์พุตกลับเข้าไปสู่ตัวแปรอ้างอิง r ได้อีกครั้งตามที่ต้องการ ซึ่งต่างจากตัวควบคุมวงเปิดที่ไม่สามารถทำให้ตัวแปรเอาต์พุตกลับเข้าไปสู่ตัวแปรอ้างอิงได้อีก

ข้อมูลเพิ่มเติม

การควบคุมและเก็บข้อมูลอุณหภูมิจากการทดลองได้ทำบนแพลตฟอร์มของ Arduino

การนำข้อมูลอุณหภูมิซึ่งเป็นตัวเลขมาพล็อตเป็นกราฟใช้โปรแกรม Microsoft Excel
เนื้อหาบางส่วนของบทความฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของ คอร์สตัวควบคุม PID ขั้นพื้นฐาน

หากท่านมีคำถามหรือข้อสงสัยประการใดสามารถสอบถามได้ที่

Facebook: Wanno Academy

(เมื่อเข้า Wanno Acedemy ได้แล้ว กดส่งข้อความ เพื่อเริ่มพูดคุยกับผมได้เลยครับ)